基于嵌入式网络模块ETR100的四要素自动气象站设计

陈斌;张大伟

【摘 要】传统的多要素自动气象站,功能单一,效率不高,因此,利用嵌入式网络模块ETR100设计一套四要素自动气象站,以实现对降水、气温、风向、风速等要素的采集与资料传输,代替原来的以单片机为核心和以PLC(可编程控制器)为核心的智能数据采集系统,扩大了系统资源的利用率,提高了系统的开发效率等,集数据的采集、处理、传输于一体,实现了适合野外工作的成套智能化自动采集. 【期刊名称】《气象水文海洋仪器》 【年(卷),期】2010(027)004 【总页数】4页(P91-93,97)

【关键词】嵌入式模块;ETR100;自动气象站 【作 者】陈斌;张大伟

【作者单位】安徽省大气探测技术保障中心,合肥,230031;长春气象仪器研究所,长春,130012 【正文语种】中 文 【中图分类】TP273.5 0 引言

随着全国中尺度地面气象观测网建设的大力推广，四要素自动气象站大量地在乡镇以及无人野外建成，要求观测设备性能稳定、功耗低、维护方便、能自动上传资料

等。本设计采用目前比较先进的嵌入式网络模块ETR100来构建四要素自动气象站，将采集的数据存储于FLASH闪盘中，并通过GPRS方式直接向中心站服务器发送数据，实现资料的实时采集与共享。 1 嵌入式网络模块ETR100简介[1]

嵌入式网络模块ETR100是一款以Intel的高性能32bit嵌入式微处理器386EX为核心的CPU板级模块，模块自带插针，可方便地插在应用电路板上构成完整的系统。ETR100采用全静态低功耗设计，非常适合作为需要低功耗的四要素自动气象观测设备的需要。硬件方面ETR100配备了丰富的异步串行通讯接口、LCD显示接口、矩阵键盘输入接口以及扩展总线；软件方面可以采用非常方便的Borland C＋＋3.1开发环境，包括串口驱动、汉字显示、看门狗电路以及底层配置程序等等。

开发ETR100嵌入式网络模块，需要1台IBM PC兼容的个人计算机，该计算机应该有1个可使用的RS－232串行通讯接口以及用于应用程序开发的编译、连接、调试软件。本系统采用的开发软件为Borland公司的C＋＋3.1，运行于PC／DOS环境下的优秀软件，其中包括集成环境IDE、C／C＋＋编译器、X86汇编、联接器以及功能强大的调试器Turbo Debugger等。 2 系统整体结构

系统的整体结构如图1所示，其核心部分采用的是嵌入式ETR100网络模块。采集的数据通过GSM通讯模块[2]，用GPRS的方式向中心站服务器传输数据。整个系统采用太阳能板加蓄电池供电，由充电控制器控制充放电过程，蓄电池输出的电压经电源电路转换后输出5V直流电压，给整个主板供电。A／D转换电路部分，使用的是12位测量精度的高速A／D转换芯片MAX197[3]，将温度、风向以及蓄电池的电压转换成数字信号以供采集。数字整形电路分别将降水和风速的开关信号转成脉冲信号以供采集。

图1 系统结构图 3 采集电路接口 3.1 气温采集接口

气温传感器，选择的是Pt100铂电阻线性温度变送模块，铂电阻的阻值随环境温度的变化而变化，具有先进的非线性校正电路和独有的抗干扰电路，可靠性强，输出信号为1～5V直流电压，对应温度为－50～50℃。采集电路选择的是12位测量精度的高速A／D转换芯片MAX197，第一通道，如图2所示。 图2 气温采集电路

MAX197芯片有8个模拟通道，量程可以是±5V、±10V、0～5V，0～10V4种，本系统采用的是0～5V量程，设置RNG＝0、BIP＝0。 片选信号:CS0； 端口地址:0x320；

PD1PD0＝01，表示MAX197采用正常模式和系统内部时钟； ACQMOD＝0，表示内部控制数据转换，需要6个时钟周期； A2A1A0＝000 3.2 风向采集接口

风向传感器采用天津气象仪器厂的EL15型风向传感器，其输出信号为0～2.5V直流电压，对应风向为0°～360°。采用 MAX197中的0～5V量程、第二通道，对应的A2A1A0＝001。 3.3 降水采集接口

降水采用ETR100的硬件中断(INT7)进行处理。雨量的开关信号经RC滤波电路、史密特触发反相器后，变成窄的脉冲信号，这些脉冲信号的上升沿对ETR100进行中断触发，通过软件计数方法获得降水值。接口电路如图3所示。 图3 降水采集电路

3.4 风速采集接口

风速传感器采用天津气象仪器厂的EL15－1A型风速传感器，其通过风杯的转动带动码盘产生0～1221Hz的方波频率，与之对应的风速为0～60m／s，利用ETR100的硬件中断(INT9)对方波频率进行处理。风速的脉冲信号经电阻分压、RC滤波电路、史密特触发反相器后，变成相应的脉冲信号，这些脉冲信号的上升沿对ETR100进行中断触发，通过软件计数方法获得风速值。 4 数据通讯设计

数据传输采用GPRS无线通讯方式，通过TCP和SMS(手机短信)方式实现上、下行两个通道信息传输，以实现运行成本的最小化。上行通道以TCP方式，主要用于自动气象站观测数据的上传，1次／min传输数据；下行通道以SMS方式，主要用于中心站的指令下达，指令下达的次数较少且不确定。 4.1 TCP数据包(上行)

从自动站向中心站发送观测数据，发送前，需要定义根据需求设计数据包格式。中心站服务器收到该数据包后，通过解码，得到自动站终端的观测数据。 4.2 SMS数据包(下行)

从中心站向自动站发送指令，自动站根据命令自动执行响应内容，发送前，需要定义指令集和指令格式。终端在收到此SMS数据包后，立即按照收到的指令执行相应的命令。 图4 软件流程图 4.3 中心站公告

中心站在服务器上发布公告，自动站每天一次TCP访问，获取公告内容，以调整系统参数或状态(如更新观测站参数、升级观测站软件等)。 5 软件设计

软件开发环境采用功能强大的Borland C＋＋来实现，系统分为上层循环程序和底

层中断程序两大部分，其联系方式为数据缓冲区。上层循环程序1次／min读取数据缓冲区并复位地址指针，底层中断程序1次／s读取接口数据并按地址指针所指存入数据。

系统在启动后，运行主程序，首先对系统的缓冲区、A／D接口、通讯接口、系统参数等进行初始化。然后判断系统时间，循环等待00s进入上层循环状态。当判断时间为1min时，读取缓冲区数据，通过调用计算子程序，将运算结果通过GPRS方式用FTP发往中心站服务器。当判断程序中有其它指令时，通过调用相当的指令处理子程序来完成相关运算。软件流程如图4所示。 6 结束语

采用嵌入式网络模块来开发四要素自动气象站，是对新一代气象探测设备进展行一种尝试，提高了对气象探测数据的采集和处理能力，将数据采集、运算、传输融于一体，具有非常良好的发展前景和经济效益。 参考文献:

[1]成都英创信息技术有限公司.ETR100嵌入式网络模块用户手册[Z].成都:英创信息技术有限公司，2003.

[2]卢建刚，陆魁军.基于GPRS的热网无线数据采集系统[J].计算机应用研究，2006(3):222－223.

[3]邓忠华，陈浩，余红梅，等.高速A／D转换芯片MAX197应用[J].电子测量技术，2005(1):83－84.